电子自旋共振法

物理学专业术语

电子自旋共振法是物理学上的一种专业术语，指的是当外加具有与此能量差相等的频率电磁波时，便会引起能级间的跃迁。该应用包括了固态物理、化学、生物医学领域等。

基本介绍

因为电子有1/2的自旋，所以在外加磁场下能级二分。当外加具有与此能量差相等的频率电磁波时，便会引起能级间的跃迁。此现象称为电子自旋共振。缩写为ESR。对相伴而产生的电磁波吸收称ESR吸收。产生ESR的条件为νo（MHz）=1.4·g·Ho(高斯).式中νo为电磁波的频率，Ho为外部磁场强度，g为g因子（gfactor）或g值。一个分子中有多数电子，一般说每二个其自旋反相，因此互相抵消，净自旋常为0。但自由基有奇数的电子，存在着不成对的电子（其无与之相消的电子自旋）。也有的分子虽然具有偶数的电子，但二个电子自旋同向，净自旋为一（例如氧分子）。原子和离子也有具有净自旋的，Cu2+、Fe3+、和Mn2+等常磁性离子即是。这些原子和分子为ESR研究的对象。由于电子自旋与原子核的自旋相互作用，ESR可具有几条线的结构，将此称为超微结构（hyperfinestru-cture）。g因子及超微结构都有助于了解原子和分子的电子详细状态。也可鉴定自由基。另外，从ESR吸收的强度可进行自由基等的定量。因为电子自旋的缓和依赖于原子及分子的旋转运动，所以通过对ESR的线宽测定，可以了解原子及分子的动的状态。

虽然原理类似于核磁共振，但由于电子质量远轻于原子核，而有强度大许多的磁矩。以氢核(质子)为例，电子磁矩强度是质子的659.59倍。因此对于电子，磁共振所在的拉莫频率通常需要透过减弱主磁场强度来使之降低。但即使如此，拉莫频率通常所在波段仍比核磁共振拉莫频率所在的射频范围还要高——微波，因而有穿透力以及对带有水分子的样品有加热可能的潜在问题，在进行人体造影时则需要改变策略。举例而言，0.3特斯拉的主磁场下，电子共振频率发上在8.41吉赫，而对于常用的核磁共振核种——质子而言，在这样强度的磁场下，其共振频率为12.77兆赫。

ESR应用在多个领域，包括了：

▲固态物理，辨识与定量自由基分子(即带有不成对电子的分子)。

▲化学，用以侦测反应路径。

▲生物医学领域，用在标记生物性自旋探子。另外在造影方面另有用途，参见下方说明。

一般而言，自由基在化学上是具有高度反应力，而在正常生物环境中并不会以高浓度出现。若采用特别设计的不反应自由基分子，将之附著在生物细胞的特定位置，就有可能得到这些所谓自旋标记或自旋探子分子附近的环境。

【电磁自旋共振造影】

EPR用在造影上，理想上是可以用在定位人体中所具有的自由基，理论上较常出现在发炎病灶；但目前仍处在开发阶段，包括讯杂比等等问题待解决。

应用

电子自旋共振测年法

电子自旋共振它是一种微波吸收光谱技术，用来检测和研究含有未成对电子的顺磁性物质。1976年Zeller等人首次将该技术用于地质样品的断代，1975年池谷元伺（Ikeya）用它来测定Akiyoshi洞穴中堆积物的年龄。在中国，已用ESR法测定了金牛山、郧县、南京汤山、巫山、泥河湾等古人类与旧时期地点的年代，金牛山人的测年结果表明中国的早期智人时代并不比非洲和西亚的早期智人晚，有力地支持了现代人类进化的多地区连续假说。

ESR是一种物理现象，它是电子自旋能级在外磁场的作用下发生塞曼分裂，同时在外加微波能量的激发下电子从低能级向高能级跃迁的共振现象。ESR测年法的基本原理就是利用电子自旋共振的方法直接测定样品自形成以来由于辐射损伤所产生的顺磁中心的数目（即所接受的放射性射线辐照和本身的累积效应）。天然放射性主要来自于u.Th衰变链中的核素和40K的衰变。在ESR测年法中，被测样品实际是一剂量计。用公式表示为P=DA=D（t）dt,其中P为样品古剂量（自样品形成后累积的辐射年剂量），也就是累积剂量DA，A是样品年龄，D是样品的年剂量（样品每年接受的天然辐射剂量率），D随时间而变化，D=D（t）。

ESR对样品的要求不十分严格。测试时将样品放在谐振腔内。电子自旋共振波谱仪包括四个部分：微波源系统、谐振腔系统、检测系统和磁铁系统。操作时，将各个系统调谐匹配，由速调管产生的微波沿波导分别通过隔离器、衰减器，经油墨下传到样品上，经谐振腔将速调管产生的微波功率放大。接着经检波器的微波能量转换，再由直接放大器放大输送到示波器或驱动x-y记录仪，画出ESR信号强度对磁场强度的一次微分曲线。磁铁系统主要是保持谐振腔的区域绝对均匀和稳定。

ESR与其他测年法相比，其优点显而易见。①测年范围广，从几千年到几百万年，几乎覆盖了整个第四纪地质年代；但主要用于几十万年的范围。②测定对象广泛，洞穴的碳酸盐沉积物、软体动物贝壳、珊瑚、古脊椎动物和古人类骨骼、牙齿等都可认为测试样品。③测试条件简单，测试信号受周围环境影响小，而且样品可反复使用。④是一种非破坏性的分析方法，对样品不存在损伤。

ESR测年目前缺乏深入系统的研究，而且主要用于地质方面，还有许多需要完善的地方。它依赖于铀的加入模式，样品含铀量、α辐照有效系数等一系列因素，尚需进一步研究。特别是对于接近或早于100万年的样品，样品埋藏期间ESR信号的衰退可能会导致ESR年龄偏低。中国科学院动物研究所昆虫分类实验室陈铁梅等专家指出，对于老样品，在未做衰退校正前，早期铀加入ESR模式年龄只能看成是真实年龄的上限。ESR和古地磁结合，有时可得出较可靠的年龄值；ESR与铀系测年可互补互检

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